空气源热泵综述

2022-01-14熊彧可李程明纪忠君张一弛于靖博

现代制造技术与装备 2021年12期

熊彧可李程明纪忠君张一弛于靖博*

（1.大连海洋大学机械与动力工程学院，大连 116000；2.中国船舶渤船集团，葫芦岛 125000）

随着我国能源转型步伐加快，能源结构持续优化，清洁能源行业迅速发展。我国现有能源构成中，煤炭仍处于主体地位，石油和天然气对外依存度高。但随着国家推行清洁能源计划、绿色产业指导等政策，清洁能源占比逐步增加，2011—2020年煤炭和清洁能源占能源总量比重如图1所示。在诸多新能源技术中，空气源热泵技术所拥有的节能与低排放的特性，完美契合了我国提出的可持续发展的战略方针，在农业、工商业、建筑和生活等领域得到了广泛应用。

图1 2011—2020年煤炭和清洁能源占能源总量比重

1 空气源热泵介绍

空气源热泵主要由压缩机、膨胀阀、蒸发器与冷凝器组成，工作原理为逆卡诺循环，如图2所示。诺循环过程如图2（a）所示，工质先从冷源吸取q2的热量并进行等温膨胀（d～c），并通过绝热压缩（c～b），使其温度升高，再进行等温压缩（b～a）向环境介质放出热量q1，最后进行绝热膨胀（a～d），使其温度降低并回到初始状态d，完成一个循环，并做了wnet的净功。此过程完成了∆s的熵增。逆卡诺循环过程与此相反。通过消耗少量电能和制冷剂，从低品位的空气中吸取能量，并以低温低压气体的形式进入压缩机，被压缩机压缩成高温高压蒸汽后再进入冷凝器。同时，冷凝器一侧的循环水将蒸汽的热量带走对外提供能量。制冷剂在经过等温膨胀、绝热压缩等一系列过程后以液体的形式进入膨胀阀，经过节流降压后再次流入蒸发器吸热，如此往复循环。

图2 逆向卡诺循环

空气源热泵具有很多明显的优势，如安置比较自由、不需要单独设立冷热源设备和机房、不消耗冷却液、减少了有害物质的排放、不用设立锅炉房以及安全性更高等。然而，空气源热泵机组占地面积大，不适合城市的集中供暖。同时，空气能是低品位热能，制热速度较慢，热效率不高，并且在较为寒冷的地区容易出现结霜问题，从而使制热量下降。

2 空气源热泵应用

2.1 空气源热泵在农业方面的应用

在农业上，传统粮食烘干机的热源大部分为煤和稻壳，燃烧后污染很大。若改用天然气或商品蒸汽作为烘干热源，则会增加粮食烘干的成本，且很多发展农业的地区不具备这种条件，局限性很大，而空气源热泵能够很好地解决以上问题。在烘干领域中，空气源热泵机组具有运行成本低、能源清洁、可设计增加预热回收装置、烘干效果好、效率高和安装简单等特点，如图3所示。但是，空气源热泵设备前期投入较大，而且粮食烘干粉尘较多，还容易受到结霜问题的影响。

图3 空气源热泵烘干机组

2.2 空气源热泵在工商业的应用

在工商业领域中，空气源热泵已经从实验室逐渐走向市场，研究人员设计出了太阳能辅助空气源热泵（Solar Assisted Heat Pump，SAHP）系统。SAHP系统能够将太阳能集热器与空气源热泵耦合成一个集成系统，但是夏季制冷效率较低，多用于冬季制热。因此，研究人员针对夏季制冷不足的问题，提出了正压均流太阳能辅助空气源热泵系统来实现夏季高效制冷[1]。除此之外，空气源热泵还是代替燃油加热炉，是改进油田燃油加热炉技术的有效措施之一。使用空气源热泵可以很好地解决排放问题。

2.3 空气源热泵在建筑方面的应用

在建筑领域，相变储能双源热泵源耦合系统主要用来为建筑供暖。此系统主要由土壤源热泵、空气源热泵、光伏热（Photo Voltaic Thermal，PVT）空腔和相变储能系统组成，如图4所示。该系统能够通过相变储能水箱及控制系统切换工作模式。当空腔温度适宜时，开启热泵空气源模式，将热量储存在相变储能水箱中；当空腔温度不足时，将能量释放。能源的组合储存利用有效提高了能源使用率，改善了时间上的不连续性，为机组与供暖用户之间起到了很好地缓冲作用，而且可以通过储热缓解寒冷天气供热不足的情况。

图4 相变储能双源热泵源耦合系统

2.4 空气源热泵在生活方面的应用

随着空气源热泵的发展，越来越多的热泵被应用到日常生活中，如为居民取暖和制成热水器。由于影响空气源热泵性能的主要因素为冷凝温度，冷凝温度越低越机组的运行效率更高，而冷凝温度和采暖末端相关，因此热泵取暖系统的理想末端为地暖等低温末端。目前，空气源热泵在供暖方面联合地板辐射进行供暖已经在青岛某在建公建项目实现，同时有研究人员对气候补偿技术进行研究[2]。除了供暖，空气源热泵还被应用到了热水器上，目前已经有很多研究人员进行了试验。例如：胡韩莹[3]等对外盘管空气源热泵热水器的实验；徐言生[4]等建立了对空气源热泵热水器的热能系数（Coefficient of Performance，COP）随工况变化的动态模型等。

3 空气源热泵除霜问题

目前，空气源热泵面临的最大的问题就是结霜问题。当空气源热泵换热器温度低于环境空气露点温度，且低于零度时，换热器的散热片表面就会结霜。出现这种情况时需要进行除霜。除霜的方法总体上有单模式与多模式两种[5]。其中：单模式除霜法包括加热除霜、逆循环除霜、热气旁通除霜、蓄能除霜、增加外力场和主动抑霜等；多模式除霜法是采用多热源耦合、多手段集成的除霜方法[6]。